大跨连续箱梁桥悬臂施工监控研究与实践

1、第 22卷 第 2期 石家庄铁道学院学报 (自然科学版 Vol . 22 No . 2 2009年 6月 JOURNAL OF SH I J I A ZHUANG RA I L WAY I N STITUTE (NATURAL SCIENCE Jun . 2009大跨连续箱梁桥悬臂施工监控研究与实践 周 峰 , 王慧东(石家庄铁道学院 土木工程分院 , 河北 石家庄 050043 摘要 :介绍了跨陇海铁路郑州 2西 安段黄龙村大跨连续梁桥以及跨京珠高速公路武汉 2广 州 段三王石大跨连续梁桥的施工监控思路 、 方法和执行过程 , , 制定了合理的施工监控方案 。制理论 , 即 “ 界限控制法

2、” 和 “ 增量控制法 ” 。设备 ,关键词 :连续梁 ; 悬臂施工中图分类号 :167420300(2009 02200152051 引言预应力连续梁桥作为一种结构刚度大 、 跨越能力大的桥型 , 在近几十年得到了长足的发展 。随着预 应力混凝土工艺的不断完善 , 采用挂篮悬臂浇筑节段混凝土来建造大跨度混凝土梁桥 , 目前在国内技术 已经相当成熟 。连续梁的分段悬臂浇筑法是目前国内外大跨径预应力混凝土桥梁的主要施工方法 , 由于施工过程中 要经历逐段立模浇筑混凝土梁节段 , 分批张拉预应力钢筋 , 逐步完成结构体系转换和合龙等众多施工工 艺 , 所以桥梁结构在施工期内将产生复杂的内力和位移变

3、化 。为检验每一施工工况是否正常 , 确保施工 安全和质量 , 尤其是保证成桥线形 , 必须对上部箱梁结构进行施工力学分析和现场监控 , 以保证成桥的线 形和受力状态与设计一致 1。2 工程概况黄龙村特大桥全桥里程范围为 DK243+454. 839DK244+170. 891, 位于河南省三门峡市 , 跨越陇海 线 , 为无渣高速铁路线路 。 本桥中心里程为 DK243+829. 20, 孔跨布置为 2×24+7×32+(48+80+48 预应力连续梁 +6×32+2×24m , 全长为 716. 052m 。黄龙村大桥主桥上部结构为纵 、 横 、 竖

4、三向预应力 钢筋混凝土连续 T 构 , 共设计 3跨 。 跨径组合为 48m +80m +48m , 桥墩 4个 , 主桥下部结构过渡墩为矩 形墩 、 承台 、 钻孔灌注桩基础 。变截面连续箱梁 , 跨中梁中心高 3. 85m , 支点梁中心高 6. 65m , 单幅宽 1314m , 节段长度为 2. 7m 、 3. 1m 和 3. 5m 三种 , 箱室宽 6. 7m , 顶板厚度 4050c m , 按折线变化 , 底板厚 40100c m , 按直线线性变化 , 腹板厚 9060c m 、 6048c m 按折线变化 , 为单箱单室型式 。利用菱形挂 蓝逐块悬臂施工 。三王石特大桥位于广

5、东省韶关市西联镇三王石村 , 跨京珠高速公路 , 其中心里程为 D I K1989+871, 孔 跨布置为 :6×32+3×24+(48+80+48 预应力连续梁 +2×24+18×32m 简支梁 , 共 32跨全长 10971665m; 连续梁位于三王石特大桥的 9#12#墩 , 梁段全长 177. 5m 。连续梁上部结构与黄龙村大桥 的设计完全相同 , 均采用中铁工程设计咨询集团有限公司编制的无渣轨道现浇预应力混凝土连续梁通用 参考图 。 连续梁上部结构总体布置形式及截面尺寸如图 1、 图 2所示 。正是由于这两座桥梁的设计完全 相同 , 所以为本文

6、相关控制理论的提出提供了机会 。收稿日期 :2008210210作者简介 :周峰 男 1982年出生 硕士研究生 16 石家庄铁道学院学报 (自然科学版 第 22卷 图 1 连续梁总体布置 (单位 :c m 图 2 2 断面 (单位 :mm3 监控方案对高次超静定桥跨结构 (多跨连续梁或连续刚构 , 或斜拉桥 , 其成桥的梁部理想的几何线型与合理的内力状态不仅与设计有关 , 法 2。 , 。大桥主桥均为变截面三向预应力混凝土连续箱梁 , 目前这种形式的桥梁分析理论已经基本成熟 ; 但是在三向预应力混凝土连续梁中 , 混凝土的收缩 、 徐变计算理论以及剪力滞等结构的非线性问题尚需进一步进行研究

7、, 如 实际桥梁设计时很难获得桥梁的实际的温度场 , 收缩 、 徐变的设计计算也很难与实际完全相符 。由于对 混凝土的收缩 、 徐变以及温度的影响计算不准确 , 影响施工正常进行 , 甚至造成合龙困难等 。尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况 , 但是由于施工中出现的诸多因素 (如材料的弹性 模量 、 混凝土收缩徐变系数 、 结构自重 、 施工荷载 、 温度影响等 的随机影响 , 事先难以精确估计 , 而且在实 际施工过程中由于施工在测量等方面产生的误差 , 会使实际结构的原理论设计值难以做到与实际测量值 完全一致 , 两者之间会存在偏差 。 如不能及时地加以识别和处理 , 主梁的应力有

8、可能发生积聚而超出设 计安全状态发生施工事故 。 所以在施工中对桥梁结构进行实时监测 , 并根据监测结果对施工过程中的控 制参数进行相应调整是十分重要的 。3. 1 影响因素 在大跨连续梁施工过程中 , 悬臂施工的关键是准确地控制桥梁结构内力和线形 , 而影响连续箱梁内 力和线形的因素很多 , 根据以往进行的桥梁施工监控 、 及检测的经验 , 结合该铁路大桥的具体情况 , 主要的影响因素概括起来有以下几个方面 3:(1 桥梁施工的临时荷载 , 包括人员 、 机具 、 挂篮等 ; (2 混凝土弹性模量 ; (3 日照及气温的影响 ; (4 混凝土收缩 、 徐变的影响 ; (5 混凝土浇注质量的控

9、制 。包括三向预 应力变截面连续箱梁悬臂浇注阶段施工的立模标高及中线偏差 、 实际混凝土强度等 ; (6 预应力张拉应力 控制 。当上述因素与结构设计估计值不符 , 而又不能及时采集现场数据资料 , 未进行科学研究与计算分析 , 其结果必然导致结构合龙后线形与设计偏差较大 、 结构内力分布不合理 , 甚至引起结构合龙困难 , 使建成 的桥梁达不到设计的使用要求 , 为此在本桥施工过程中主要根据以上影响因素进行以下监控工作 。3. 2 监控方案3. 2. 1 应力监控此两座桥梁的具体埋设的应变计断面及测点布置参见图 3和图 4。图中 121、 11211为边跨合龙段断 面 ; 323、 424、

10、 828、 929为 0#1#块断面 ; 626为中跨合龙段断面 ; 222、 525、 727、 10210为 1/4跨截面 。每个断 面均布置 8个测点 , 除腹板中间 2个测点与水平成 45°方向角布置外 (测主应力 , 其余 6个测点方向均为 顺桥向布置 。 全桥一共布置了 88个应变测点 。传感器引出导线外设保护筒 , 以防止在施工过程中被损 第 2期 周峰等 :大跨连续箱梁桥悬臂施工监控研究与实践 17 坏 。图 3 应变计埋设断面布置图 4 各断面应变计测点布置在连续梁桥上 , 根据对多种应力测试仪器的性能比较 , 考虑要适合长期观测并能保证足够的精度 , 本 项目选用

11、丹东市虬龙传感器有限公司生产的 JXH 22型埋入式应变传感器 , 读数仪器采用配套的 SS 2 型 钢弦式频率测定仪 。 该传感器采用薄壁圆钢结构 , 以钢弦作为传感器元件 , 工作方式为脉冲间歇激发式 , 具有性能稳定 , 不受导线长度限制 , 抗干扰能力强 , 适用于长期观测等优点 。布置应变计的原则为选择关键截面布置测点 , 测试从混凝土浇筑前开始采集原始数据 , 浇注后 3h 采 集第一次数据 , 至预应力张拉前测试一次 , 张拉预应力后测试一次 ; 以后每当荷载出现较大变化或时间间 隔 3d 左右对控制截面进行测量 。先期主要测试混凝土的时效 (收缩和徐变 应变 , 后期测试受力应

12、变 (应力变化工况 和时效应变 (应力不变化时段 。3. 2. 2 温度监控大跨度桥梁结构的结构温度是一个复杂的随机变量 , 它与桥梁所处的地理位置 、 方位 、 自然条件 、 组 成构件的材料等等因素有着密切的关系 , 设计中很难预测施工期间的结构实际温度 , 因此 , 为保证大桥施 工达到设计要求内力状态和线形 , 必须对结构实际温度进行实地监测 。 监测时要特别注意对结构局部与 整体温度相结合的测量 , 只有掌握了施工结构整体温度分布状态才能有效地克服温度对施工结构行为的 影响 。在连续梁桥上 , 用于桥梁结构温度测试的常见元件有热电阻 、 热敏电阻 、 热电偶等 。 根据对多种温度 测

13、试仪器的性能比较 , 由于热电阻具有构造简单 、 适用方便 、 有较高的精确度和良好的敏感度的特点 , 并 考虑要适合长期观测并能保证足够的精度 , 在本桥的温度监测中将选用长沙金码高科技有限公司生产的 J MT 236C 型温度传感器为温度监测仪器 ; 读数仪采用和 J MT 236C 型温度传感器配套的 J MZ X 2300X 综合测 试议 。虽然在浇筑每个箱梁时的日照都不一样 , 并且由于箱梁腹板及顶板的影响 , 使得箱梁每处的内外表 面温度都不一样 , 但考虑到各个 “ T ” 的温度大致相同 , 故选择一个“ T ” 的一个悬臂作为温度测试对象 。为 了得到箱梁顶板内外侧以及腹板

14、、 底板外侧到内侧的温度梯度 , 在 10#墩西安侧的悬臂上设 3个观测截面 (即 4、 5、 6截面 , 见图 3示意图 , 每个截面布置 11个温度测试点 , 将测温铂电阻先贴在钢筋上 , 并做防潮 18 石家庄铁道学院学报 (自然科学版 第 22卷 和防机械损伤处理后埋入混凝土内 , 测试导线引到混凝土表面 。 具体测点布置如图 5所示 。图 5 温度测点布置 3. 2. 3 几何形态挠度监控桥梁的悬臂施工中 , 施工挠度计算与控制以及科学合理确定悬臂每一待浇梁段或悬拼段的预拱度是至关重要 。 只有预拱度设置合理 ,才能保证一个跨径内将要合龙的两个悬臂端可能在同一水平线上 , 也才能使桥

15、梁上部结构经历施工和运营状态 , 反复发生向上或向下的挠度后 , 在结构运营一定时间后达到设计所期望的标高线形 。影响挠度 的因素有很多 , 其中最主要的因素包括以下几个方面 : 施工阶段的一期恒载 , 即梁自身静载和预加应力 ; 施工临时荷载 ; 悬浇的挂篮和模板机具设备重 ; 悬拼的吊梁 机具设备重 ; 人群荷载 、 大自然的温度变化 、 湿度变化 、 风荷载 ; 桥墩变位 、 、 施工误差等 。在本项目监控中 , 对上述影响因素都做了考虑 , , 并 与实测数据对比 , 进行曲线拟合 , 通过目前对前 5, , 合 (具体线形对比如图 6所示 。 图 6 成桥后实际线形与设计线形对比下面

16、就连续梁桥各梁段立模标高的确定方法简要介绍一下 。立模标高的计算公式主要按下式确定 4:立模标高 H l m =H sj +H ypg +f g l , 其中 , H sj , H ypg , f g l 分别为设计标高 、 计算预抛高和挂蓝变形值 。 设计标高 由设计院提供 , 预抛高值 由软件模拟计算得到 (本文中采用 M idas 模拟分析得到 , 挂蓝变形值 由通 过预压试验得出的回归方程得到 。3. 3 黄龙村 、 三王石大桥施工控制目标本项目工作的目标是 :把大跨度桥梁施工控制的理论和方法应用于黄龙村特大桥工程的实际施工过 程 , 对该桥施工期间的线型 、 混凝土应力等内容进行有力

17、的控制和调整 , 即 :根据施工全过程中实际发生 的各项影响桥梁内力与变形的参数 , 结合施工过程中测得的各阶段主梁内力 (应力 与变形数据 , 随时分 析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预测值的差异并找出原因 , 提出修正对策 , 以协助施工单位安全 、 优质 、 高效地进行施工 , 并确保在全桥建成以后桥梁的内力状态与外形曲线与设计尽量相符 。3. 4 监控成果在应力的监控中 , 采用界限控制法和增量控制法相结合的方法 。界限控制法 , 即在施工过程中 , 结构内部所允许出现的最大应力值 , 超过此值则认为出现异常 , 则应 提出预警 。 本文中所述黄龙村大桥及三王石大桥 , 由结构分析和

18、以往的试验资料表明 , 控制截面的混凝 土拉应力最大不超过 2. 5MPa, 最大压应力不超过 19. 6MPa 。增量控制法 , 即利用应力测试的增量结果作为施工的应力预警参数 。对于主梁的应力指标而言 , 由 于采用的测试设备 、 人员操作误差 、 以及工人的施工水平等 , 根据国内目前的使用情况来看其应力测试的 准确度尚不能令人十分满意 。 并且设计计算和施工监控 、 监测计算一般只能给出线性平面应力的大小 , 而施工中存在箱梁的剪力滞后效应及角域应力的特殊性 , 因此应力的测试结果通常不用于直接的误差分 析 , 而是利用应力测试的增量结果作为施工的应力预警参数 。 监控单位对于测试中出

19、现的应力异常变化 及时作出预警报告 。通过以上两种方法在现场的综合运用 , 应力监控得到了有效的控制 , 并与理论计算比价吻合 。由于 第 2期 周峰等 :大跨连续箱梁桥悬臂施工监控研究与实践 19 监控数据很多 , 这里不能全部列出 , 只给出了 11#墩 021断面 (828 的应力 (应变 施工到 5#块的监测数据 和理论计算数据 , 如表 1所示 , 表中负值代表应力比上一工况减小 , 正值代表应力比上一工况增大 。 表 1 11#墩 021断面 (828 正应力 (应变 监测数据工况实测应力变化值 /MPa顶板 腹板 底板M idas 计算变化值 /MPa顶板 腹板 底板相对误差 /

20、%顶板 腹板 底板1#块混凝土浇筑 -0. 061. 9650. 076-0. 0630. 0060. 0754. 8 1. 31#块混凝土张拉 1. 714-1. 514-0. 2701. 7900. 720-0. 2634. 2 2. 72#块混凝土浇筑 -0. 258-0. 2950. 344-0. 2730. 0100. 3415. 5 0. 92#块混凝土张拉 2. 2460. 863-0. 4372. 3330. 825-0. 4493. 74. 62. 73#块混凝土浇筑 -0. 4190. 3070. 436-0. 4250. 0070. 4441. 4 1. 83#块混凝土张

21、拉 2. 0080. 741-0. 5612. 1030. 794-0. 5394. 56. 74. 14#块混凝土浇筑 -0. 566-0. 1090. 719-0. 5860. 010. 7553. 4 4. 84#块混凝土张拉 1. 8020. 777-0. 5771. 8720. 787-0. 6001. 33. 85#块混凝土浇筑 -0. 6970. 2650. 920-0. 720. 0131. 8. 1#块混凝土张拉 1. 722-0. 171-0. 3861. -0. 3. 0 从实测的各施工阶段下 021, 可能由于预应力管道安 , 无法通过相对误差来判断结构是 否安全 ,

22、, 在不超限的情况下 , 应力变化范围是可以接受的 , 可以保证施工安 全 。4 结束语通过对黄龙村 、 三王石两座大桥施工线形监控和应力监测 , 特别是通过对大桥施工过程中严格的应 力监测 , 结合现代控制理论 , 并应用应力误差分析技术 , 取得到了较好的测试结果 , 有效地保证了桥梁建 造质量和施工安全 。 同时也为以后相似桥梁的施工控制提供了可供参考的依据 。参 考 文 献1向中富 . 桥梁施工控制技术 M.北京 :人民交通出版社 , 2001.2马骎 , 蒲黔辉 , 王少钦 . 高墩大跨连续刚构桥施工监控 J .四川建筑 , 2005, 25(6 :1472148.3徐君兰 . 大跨

23、度桥梁施工控制 M.北京 :人民交通出版社 , 2000.4曹立波 . 松花江大桥 90. 5m +3×138m +90. 5m 悬臂施工监控研究与实践 D.石家庄 :石家庄铁道学院土木工程分 院 , 2008.Study and Practi ce on Con structi on M on itor i n gof Can tilever Con structi on for L ong Span Con ti n uous Box 2secti on Beam Zhou Feng, W ang Hu i dong(Civil Engineering School, Shjiazhuang Rail w ay I nstitute, Shjiazhuang 050043, China Abstract:The strategy, method and p r ocess of constructi on monit oring f or Huangl ongcun large s pan contin 2 uous bea m bridge which flies over Long 2Hai Rail w